9 kolorów wodoru – poznaj ich znaczenie, zastosowanie i potencjał wykorzystania
Materiał przygotowany przez SES Hydrogen S.A.
Wodór niejedno ma imię. I choć jest to gaz bezwonny, bezsmakowy i bezbarwny, od dłuższego czasu mówi się o jego kolejnych odcieniach. Za ich pomocą jesteśmy w stanie rozróżnić metody produkcji wodoru, a konkretniej podkreślić znaczenie źródła energii wykorzystanej w procesie. Ciekawi Cię jakie rozróżniamy kolory wodoru? W takim razie zapraszamy do lektury!
Polska jest ważnym graczem na światowym rynku wodoru
Niewielu wie, że Polska jest jednym z globalnych liderów produkcji wodoru, zajmując 3. miejsce w Europie oraz 5. na świecie. Co roku na terenie kraju wytwarza się ponad milion ton tego wyjątkowego gazu, co odpowiada około 10-15% łącznej produkcji wodoru na Starym Kontynencie. Obserwując te statystyki można by zakładać, że transformacja energetyczna polskiej gospodarki, wzrost wykorzystania wodoru we wszystkich jej sektorach, a przez to spełnienie restrykcyjnych celów klimatycznych pozostaje jedynie kwestią czasu. Niestety, to nie takie proste, gdyż obecna krajowa produkcja w dominującej większości oparta jest na paliwach kopalnych. Przez to wytwarzany wodór odznacza się wysokim poziomem emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Tak produkowany wodór określany jest mianem wodoru szarego.
Skąd wzięły się kolory wodoru?
No właśnie! Wszyscy doskonale wiemy, że w standardowych warunkach wodór jest gazem nietoksycznym, bezsmakowym, bezwonnym i… bezbarwnym. Mimo to, mówiąc dziś o wodorze, wyróżniamy jego określone kolory. Jakie jest źródło nowej nomenklatury?
Najważniejszym wskaźnikiem dla wykorzystania wodoru w ogniwach paliwowych jest poziom jego czystości (standard 5.0). Nawet najmniejsze ślady zanieczyszczeń mogą bowiem powodować uszczerbek na wydajności i trwałości systemu ogniw paliwowych, w szczególności w pojazdach wodorowych (BEV). Dlatego dotychczas sama metoda jego pozyskiwania schodziła na dalszy plan. Jednak ze względu na obecne cele redukcji emisji w każdym z sektorów gospodarki, nie tylko czystość wodoru, ale również jego pochodzenie nabiera szczególnego znaczenia. A dokładniej pochodzenie energii, wykorzystanej w procesie wytwarzania paliwa przyszłości.
Jak pokazują statystyki, obecnie około 96% łącznej produkcji wodoru na świecie opiera się na paliwach konwencjonalnych, a 4% obejmuje elektroliza wody. Przy czym należy zaznaczyć, że zaledwie około 1% stanowi elektroliza, do której przeprowadzenia wykorzystuje się energię pochodzącą z OZE, a więc najbardziej korzystna środowiskowo metoda, w której pozyskujemy całkowicie zeroemisyjny wodór zielony. To kolejny z wyróżnianych odcieni wodoru. Poza nim i wspomnianym wodorem szarym, w bogatej palecie znajdziemy także wodór niebieski, czarny, brązowy, różowy, turkusowy, żółty oraz biały. Dziś postaramy się przybliżyć je nieco dokładnej.
Wodór szary
Produkowany w procesie reformingu parowego węglowodorów – SMR (Steam Methane Reforming), który odznacza wysoka emisyjność (szacowane 9-12 kg CO2/kg H2). Reforming parowy to jeden z najważniejszych procesów technologicznych w rezultacie, którego pozyskiwane są gazy syntezowe do produkcji metanolu, amoniaku oraz wodór.
Gaz syntezowy to inaczej mieszanina tlenku węgla i wodoru oraz dwutlenku węgla, która wytwarzana jest na masową skalę, będąc jednym z najważniejszych obecnie źródeł pozyskiwania wodoru. Do jego produkcji wykorzystuje się gazy ziemne, węgiel, a nawet niektóre frakcje odpadowe przerobu ropy naftowej[1]. Tak produkowany wodór znajduje swoje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle rafineryjnym (petrochemia), spożywczym, azotowym oraz metalurgicznym. Jego roczna produkcja na świecie już teraz przekracza 55 milionów ton.
Nacisk na wykorzystanie gazu ziemnego (metanu) w procesie SMR nie jest przypadkowy. Jest to surowiec, który w chwili obecnej zapewnia wysoką wydajność, wystarczalność zasobów oraz stosunkowo niskie koszty w odniesieniu do innych metod wykorzystujących paliwa konwencjonalne. Sam proces reformingu polega na reakcji metanu z parą wodną w temperaturze 700-1000°C w obecności odpowiedniego katalizatora metalicznego. Wymaga więc sporych nakładów energetycznych i ze względu na emisyjność wykazuje negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne. Dlatego stale rozwijane są metody wychwytywania CO2.
Wodór niebieski
Ich rezultatem jest wyodrębnienie wodoru niebieskiego. Ten, często określany jest jako najbardziej korzystne ekonomicznie stadium przejściowe transformacji energetycznej – od wodoru szarego do zielonego. Wodór niebieski jest produkowany z wykorzystaniem paliw kopalnych, przy czym dla zmniejszenia poziomu zanieczyszczeń w procesie wykorzystuje się metody wychwytu dwutlenku węgla. Najczęściej stosowanymi technologiami są CCS (Carbon Capture Storage) oraz CCU (Carbon Capture Utilization).
Jeszcze do niedawna uważano, że wodór niebieski jest niemal bezemisyjny (umożliwia zmniejszenie emisyjności nawet o 95%). Jednak opublikowane w połowie ubiegłego roku badania naukowców, uwzględniające pełen cykl życia niebieskiego wodoru udowadniają, że jego produkcja może generować nawet wyższe wskaźniki emisji niż spalanie paliw kopalnych, przez co jego użytkowanie nie spełnia obecnych wymogów redukcji (więcej na ten temat pisaliśmy tutaj).
Wodór czarny i brązowy
W literaturze przedmiotu znacznie rzadziej wyróżnia się wodór czarny oraz brązowy. Ponownie, oba kolory dotyczą wodoru wytwarzanego z paliw konwencjonalnych. Rozróżnienia te stosowane są najczęściej wtedy, kiedy chcemy podkreślić jaki konkretnie surowiec został wykorzystany w procesie produkcji. I tak, wodór czarny to wodór pozyskiwany z syntetycznego gazu w metodach eksploatujących węgiel kamienny. Brązowy z kolei dotyczy metod produkcji opartych na węglu brunatnym.
Wodór turkusowy
Otrzymywanie wodoru turkusowego w procesie pirolizy to względnie nowa i nadal rozwijana metoda produkcji. Podobnie jak w przypadku wodoru szarego i niebieskiego wykorzystuje ona m.in. gaz ziemny jako surowiec bazowy. Jednak w tym przypadku proces przebiega nie poprzez spalanie paliw kopalnych, a dzięki ciepłu wytwarzanemu energią elektryczną.
Głównymi produktami pirolizy metanu są wodór oraz węgiel, ale taki otrzymywany w postaci stałej, co niweluje konieczność jego wychwytywania i magazynowania. Jeśli do przeprowadzenia procesu wykorzystywano by wyłącznie energię elektryczną z OZE, charakteryzowałby się niemal zerowym poziomem emisji. Nowa metoda stanowi więc ciekawe pole do dalszej eksploracji.
Wodór zielony
To najbardziej pożądany kolor wodoru w perspektywie dekarbonizacji globalnej gospodarki. Jednocześnie najbardziej wspierany przez nową politykę Unii Europejskiej, która skupia się na finansowaniu projektów umożliwiających zwiększenie mocy produkcyjnych zielonego wodoru w państwach członkowskich na przełomie najbliższych dwóch dekad.
Wodór zielony wytwarzany jest w procesie elektrolizy, do której wykorzystana zostaje wyłącznie energia elektryczna pochodząca ze źródeł odnawialnych. Tak produkowany cechuje się całkowitą zeroemisyjnością i wykazuje wysoki potencjał użytkowania we wszystkich, nawet najtrudniejszych obszarach gospodarki.
Elektroliza umożliwia rozdzielenie wody na jej podstawowe składniki – wodór oraz tlen. W trakcie procesu, pod wpływem napięcia elektrycznego wiązanie między nimi zostaje przerwane w roztworze. W chwili obecnej wydajność procesu oscyluje między 50-70%, jednak stale prowadzone są prace nad rozwojem technologii i zwiększaniem ich efektywności.
Już dziś unijna strategia zakłada osiągnięcie 6 GW mocy zainstalowanej elektrolizerów i produkcji na poziomie miliona ton zielonego wodoru do 2024 r. oraz nawet 40 GW mocy zainstalowanej i produkcji na poziomie 10 milionów ton do roku 2030. Eksperci przewidują jednak, że dzięki już teraz zapowiedzianym inwestycjom target ten zostanie przekroczony w 2027 r.
Wodór różowy
Często naprzemiennie nazywany wodorem fioletowym, purpurowym lub czerwonym. Jest to wodór produkowany w procesie elektrolizy zasilanej energią jądrową. Wykorzystanie atomu do produkcji wodoru to ciekawy i z pewnością perspektywiczny koncept. Już dziś eksperci wskazują na jego niską emisyjność, docelową opłacalność oraz podkreślają, że będzie w stanie uzupełniać produkcję z OZE, a przez to zaspokajać rosnące zapotrzebowanie przemysłu i energetyki.
Poza omówionymi kolorami wodoru, często wyróżnia się także wodór żółty, produkowany w procesie elektrolizy z bezpośrednim wykorzystaniem energii słonecznej i nanotechnologii, a także wodór biały. Mnogość odcieni w tej wyjątkowej palecie wodoru już dziś utwierdza w przekonaniu, że potencjał nowego paliwa jest ogromny, a co ważniejsze będzie jeszcze silniej rozwijany w kolejnych latach.
źródło: SES Hydrogen https://seshydrogen.com/9-kolorow-wodoru-poznaj-ich-znaczenie-zastosowanie-i-potencjal-wykorzystania/
[1] PROCESY I KATALIZATORY POZYSKIWANIA GAZU SYNTEZOWEGO, T. Borowiecki, J. Ryczkowski, E. Franczyk, A. Gołębiowski, P. Kowalik
Nadchodzące wydarzenia powermeetings.eu!
